一种基于随钻参数对地下工程围岩快速实时分级的方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于随钻参数对地下工程围岩快速实时分级的方法，实施现场钻进试验，通过钻进过程中所测得的随钻参数，得出掌子面钻孔深度方向的单轴抗压强度和岩体完整性指标，再建立随钻参数与单轴抗压强度以及岩体完整性指标之间的关系式，实际地下工程中，将获得的随钻参数代入上述的关系式中，再通过岩体基本质量指标BQ分级计算公式对掌子面前方围岩进行快速实时分级。本发明提供的一种基于随钻参数对地下工程围岩快速实时分级的方法，只需要在工程现场利用钻机对围岩进行钻进测试，不需取芯和室内试验，对围岩进行快速实时分级，分级效率高；本发明只需根据钻进参数确定围岩划分等级，不需像传统分级方式一样需经过多种试验方式，本发明方法简单，易于操作。
【专利说明】
一种基于随钻参数对地下工程围岩快速实时分级的方法
技术领域
[0001] 本发明涉及岩土工程勘察技术领域，尤其涉及一种基于随钻参数对地下工程围岩 快速实时分级的方法。
【背景技术】
[0002] 随着经济的快速发展和人类社会的不断进步，基础性建设快速发展，在修建隧道、 地铁或巷道时，需要根据对围岩的分级确定支护方式和开挖方式，围岩分级的准确与否对 施工工期、支护成本影响巨大，尤其是在TBM和盾构机施工日益增多的背景下，对施工掌子 面无法做到快速准确分级的情况下，遇到破碎围岩和不良地质体，可能会使TBM或盾构机遭 受被卡甚至被埋的风险。
[0003] 目前普遍采用的围岩分级方式存在以下问题：
[0004] (1)围岩分级一般需对岩体进行取芯，并结合室内试验，无法做到快速实时分级， 分级效率较低，增加了施工的时间成本和经济成本。
[0005] (2)-般围岩分级区段相隔较远，分级不精确，若划分的低级别围岩区段过长，可 能会造成支护过强，材料浪费，成本急剧增加;若划分的高级别围岩区段过长，可能会造成 支护强度不足，发生围岩失稳坍塌的风险增大。
[0006] 因此，急需建立一种对地下工程围岩进行快速实时分级的方法。
【发明内容】
[0007] 本发明的目的是为了提供一种基于随钻参数对地下工程围岩快速实时分级的方 法，该方法可根据现场快速分级结果对支护、施工方案进行及时调整，提高施工的安全性， 可降低施工成本，提高施工效率。
[0008] 为了达成上述目的，本发明采用如下技术方案：
[0009] -种基于随钻参数对地下工程围岩快速实时分级的方法，实施现场钻进试验，通 过钻进过程中所测得的随钻参数，得出掌子面钻孔深度方向的单轴抗压强度和岩体完整性 指标，再建立随钻参数与单轴抗压强度以及岩体完整性指标之间的关系式，实际地下工程 中，将获得的随钻参数代入上述的关系式中，再通过岩体基本质量指标BQ分级计算公式对 掌子面前方围岩进行快速实时分级。
[0010] -种基于随钻参数对地下工程围岩快速实时分级的方法，具体步骤如下：
[0011] 步骤1):实施现场钻进试验，测得钻进过程中的随钻参数，并提取岩芯，并利用岩 芯得到掌子面钻孔不同深度方向的单轴抗压强度；
[0012] 步骤2):实施弹性波测试试验，得到岩体完整性指标；
[0013] 步骤3):根据步骤1中实施的大量试验数据，利用逐步回归的方法，得到单轴抗压 强度与随钻参数的最优回归关系式y1;
[0014] 步骤4):将对岩体破碎程度敏感的转速r和扭矩m进行处理，得到扭矩显著率爾和 转速显著率f，得到扭矩破碎指标QD m和转速破碎指标QDr，并建立扭矩破碎指标QDjP转速破 碎指标QDr与岩体完整性指标Kv拟合公式y2;
[0015] 步骤5):对于具体地下工程，实施钻进试验，将随钻参数代入到步骤3)得出的最优 回归关系式yi和步骤4)得出的公式y2,快速得到掌子面前方的单轴抗压强度R。和岩体完整 性指标K v;
[0016] 步骤6):将步骤5)得到的单轴抗压强度R。和岩体完整性指标Kv代入到岩体基本质 量指标BQ分级计算公式，对掌子面前方围岩进行快速实时分级。
[0017] 进一步地，所述步骤1)中所述的钻进试验，指搭载数字化围岩强度钻进测定系统 (DRST系统）的钻机沿掌子面前方钻进，并得到钻进过程中钻机的扭矩m、转速r、轴压力n、钻 进速率V和钻进比功w。
[0018] 进一步地，所述单轴抗压强度R。通过实施单轴试验得出。
[0019] 进一步地，所述步骤3)中所述扭矩显著率S和转速显著率f分别通过公式（1)和公 式（2)计管·
[0020] (1)
[0021] (2)
[0022]式中k表示数据第k个采集点；
[0023] 所述扭矩破碎指标QDjP转速破碎指标QDr分别通过以下公式(3) (4)计算：
[0024] (3)
[0025] (4)
[0026] 式中，h丨表示某一个钻孔中扭矩显著率两小于临界值的第i段长度，玲表示扭矩显 著率指标小于临界值段之间且长度小于IOmm的段中编号j的段长度;岵表示某一个钻孔中 转速显著率f大于临界值的第i段长度，If表示转速显著率指标大于临界值段之间且长度小 于IOmm的段中编号j的段长度，H表示某钻孔的总长度。所述扭矩显著率临界值和转速显著 率临界值为根据试验得到的，扭矩显著率和转速显著率大于某一固定值时，判别到的破碎 岩体的保证率在95%，那么该固定值就是临界值。
[0027]进一步地，所述步骤3)中所述建立扭矩破碎指标QDjP转速破碎指标QDr与岩体完 整性指标Kv拟合公式72，为利用多元线性回归的方法将Kv数据与扭矩破碎指标QDjP转速破 碎指标QD r数据进行公式拟合，最终拟合公式的形式为：
[0028] y 2 = Kv = Po+PiQDm+^2QDr
[0029] 其中^、^、说都为回归系数。
[0030]进一步地，所述步骤5)中岩体基本质量指标BQ分级计算公式：
[0031] BQ = 90+3Rc+250Kv
[0032] 进一步地，所述步骤3)中最优回归关系式yi的计算步骤如下：
[0033] 2-1)明确自变量和因变量，计算相关系数矩阵，此步骤包括4个小步骤。
[0034] A.自变量为扭矩X1、转速X2、轴压力X3、钻进速率X4和钻进比功X 5因变量为单轴抗压 强度yi，5元回归模型为：
[0035]
[0036] B.计算各变量的平均值
[0037] 对于自变量和因变量根据大量现场试验有η组数据，则各变量平均数
[0038]
[0039] η 1
[0040] Xk1表示第k次试验数据中，Xl的值。
[0041 ] C ·计算离差阵
[0042] 自变量平方和为SSi，自变量间及其因变量乘积和为SPij和SPiy
[0048] D.计算相关系数矩阵[0049] μ 1为相关阵，计算公式为[0050][0051] 丨的相关系数;相关系数矩阵为
[0043]
[0044]
[0045]
[0046]
[0047]
[0052]
[0053]于是相关系数矩阵为
[0054] R(0) = [rij(0)]
[0055] 式中0代表原始相关系数。
[0056] 2-2)确定显著性的F检验水准
[0057]本试验样本观察数η远大于自变量个数m，则m个自变量被引入的个数对剩余自变 量自由度影响不大，此时选定一个固定F检验值，不用更换，显著水准α不宜过小，如可选Q = 0.1A为显著性水平为α时的F值，可查F检验临界值表得到。
[0058] 2-3)选取第1个自变量
[0059] Α.对5个自变量计算偏回归平方和m
[0060] Ui = Tiy2/Γ?(? = 1,2,3,4,5)
[0061] m值越大表示该自变量被引入回归方程后对方差的贡献越大，该自变量最先引入 回归方程，如将Xk引入回归方程。
[0062] Β.引入自变量^后，相关系数阵R(1)经过下列公式变化，转换为R(1+1)。
[0063]
[0064] 2-4)选取第2个自变量
[0065] A.计算各自变量回归平方和
[0066] m⑵=[riy⑴]2/rii⑴（i = l，2,3,4,5)
[0067] 取除了已经引用的Xk外，将其与自变量中_4:2)中最大的自变量引入回归方程，假 如为?。
[0068] B.对引入的自变量?进行F检验
[0069] Fi = U5(2)/[ (l-Uk(1)-ui(2))/(n-2-1)]
[0070] 若Fi > Fa则引入XI，否则不引入。
[0071] C.引入幻后，按R(1+1)公式进行变化，将R(1)变化为R(2)。
[0072] D.对引入a和?进行显著性检验
[0073] 先计算出各偏回归平方和及剩余平方和
[0074] m⑶=[riy⑵]2/rii⑵(i = l，2,3,4,5)
[0075] 若则壯和幻都显著都保留，否则剔除a。
[0076] 2-5)重复第2-4)步，直至取完所有自变量；
[0077] 2-6)建立最优回归方程。
[0078] 在逐步回归分析中采用的是标准化的量，即由相关系数求得的解Pl为标准回归系 数，再将其转换为偏回归系数bi，
[0079]
[0080] 假设Xk、^Q和Χζ*被选自变量，bi、bk、bz为自变量相应的偏回归系数；
[0081 ] bQ =yl-bixi-bkxK -bzxs
[0082] 最优回归方程为
[0083]
[0084] 通过以上公式就可以得出相关的关系式。
[0085]本发明的有益效果是：
[0086] 1)本发明提供的一种基于随钻参数对地下工程围岩快速实时分级的方法，只需要 在工程现场利用钻机对围岩进行钻进测试，不需取芯和室内试验，对围岩进行快速实时分 级，分级效率高。
[0087] 2)本发明只需根据钻进参数确定围岩划分等级，不需像传统分级方式一样需经过 多种试验方式，本发明方法简单，易于操作。
[0088] 3)可根据本发明快速实时分级，对支护和施工方式作出及时调整，提高了施工的 安全性，降低施工成本。
【附图说明】
[0089] 图1是本发明一种基于随钻参数对地下工程围岩快速实时分级的方法的实施流程 图。
【具体实施方式】
[0090] 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完 整的描述。
[0091] -种基于随钻参数对地下工程围岩快速实时分级的方法，具体步骤如下：
[0092] 步骤1:实施现场钻进试验，测得钻进过程中的随钻参数(扭矩m、转速r、轴压力n、 钻进速率V和钻进比功w)，并利用取芯钻机在钻机试验钻孔3倍洞径以外，Im以内范围，钻取 与钻进试验相同深度的钻孔，获取岩芯并按深度编号，实施单轴试验，得到钻孔不同深度的 单轴抗压强度R。。
[0093] 步骤2:实施弹性波测试试验，得到岩体完整性指标Kv。
[0094] 步骤3:根据步骤1中实施的大量试验数据，利用逐步回归的方法，得到单轴抗压强 度R。与随钻参数的最优回归关系Sy1，经历以下步骤。
[0095] 3-1)明确自变量和因变量，计算相关系数矩阵，此步骤包括4个小步骤。
[0096] Α.自变量为扭矩X1、转速Χ2、轴压力Χ3、钻进速率Χ4和钻进比功X 5因变量为单轴抗压 强度yiA元同两爐?为·
[0097]
[0098] Β.计算各变量的平均值
[0099] 对于自变量和因变量根据大量现场试验有η组数据，则各变量平均数
[0100]
[0101]
[0102] Xk1表示第k次试验数据中，Xl的值。
[0103] C.计算离差阵
[0104] 自变量平方和为SSi，自变量间及其因变量乘积和为SPij和SPiy
[0110] D.计算相关系数矩阵
[0105]
[0106]
[0107]
[0108]
[0109]
[0111] 在逐步回归中为便于表达和计算，通常将离差阵化为相关阵，计算公式为
[0112] riy = SPij/(SSiSSj)0·5
[0113]式中，i，j = l，2,3,4,5，riy为xi、X2、X3、X4、X5、y之间的相关系数;相关系数矩阵为
[0114]
[0115] 于是相关系数矩阵为
[0116] R(0) = [rij(0)]
[0117] 式中0代表原始相关系数。
[0118] 3-2)确定显著性的F检验水准
[0119] 本试验样本观察数η远大于自变量个数m，则m个自变量被引入的个数对剩余自变 量自由度影响不大，此时选定一个固定F检验值，不用更换，显著水准α不宜过小，如可选Q = 0.1。
[0120] 3-3)选取第1个自变量
[0121] Α.对5个自变量计算偏回归平方和m
[0122] Ui = Tiy2/Γ?(? = 1,2,3,4,5)
[0123] m值越大表示该自变量被引入回归方程后对方差的贡献越大，该自变量最先引入 回归方程，如将Xk引入回归方程。
[0124] Β.引入自变量^后，相关系数阵R(1)经过下列公式变化，转换为R(1+1)。
[0125]
[0126] 3-4)选取第2个自变量
[0127] A.计算各自变量回归平方和
[0128] m⑵=[riy⑴]2/rii⑴（i = l，2,3,4,5)
[0129] 取除了已经引用的处外，将其与自变量中^2)中最大的自变量引入回归方程，假 4· 如为XI;
[0130] B.对引入的自变量?进行F检验
[0131 ] Fi = U5(2)/[ (l-Uk(1)-ui(2))/(n-2-1)]
[0132] 若Fi>Fa则引入xi，否则不引入；
[0133] C·引入Xi后，按R(1+1)公式进行变化，将R(1)变化为R (2);
[0134] D.对引入a和?进行显著性检验；
[0135] 先计算出各偏回归平方和及剩余平方和
[0136] m(3) = [riy(2)]2/rii⑵（i = l，2,3,4,5)
[0137] 若up > uf3)，则X1JPx1都显著都保留，否则剔除xk;
[0138] 3-5)重复第3-4)步，直至取完所有自变量
[0139] 3-6)建立最优回归方程
[0140] 在逐步回归分析中采用的是标准化的量，即由相关系数求得的解Pl为标准回归系 数，再将其转换为偏回归系数bi，
[0141]
[0142] 假设Xk^1和心为被选自变量，bi、bk、bz为自变量相应的偏回归系数；
[0143] 4 - V, -bjX, ~!\xk -b_xr
[0144] 最优回归方程为
[0145]
[0146] 步骤4:将对岩体破碎程度敏感的转速r和扭矩m进行处理，利用下面公式得到扭矩 显著率衍和转速显著率f
[0147]
[0148]
[0149] 式中k表示数据第k个采集点。
[0150] 在此基础上计算扭矩破碎指标QDjP转速破碎指标QDr
[0151]
[0152]
[0153] 式中，塒表示某一个钻孔中扭矩显著率柄小于临界值的第i段长度，!:〖表示扭矩显 著率指标小于临界值段之间且长度小于IOmm的段中编号j的段长度;Zif表示某一个钻孔中 转速显著率f大于临界值的第i段长度，〖f表示转速显著率指标大于临界值段之间且长度小 于IOmm的段中编号j的段长度，H表示某钻孔的总长度。
[0154] 利用多元线性回归的方法将Kv数据与扭矩破碎指标QDjP转速破碎指标QDr数据进 行公式拟合，最终拟合公式的形式为：
[0155] y 2 = Kv = Po+PiQDm+^2QDr
[0156] 其中^、^、说都为回归系数。
[0157] 步骤5:对于具体地下工程，实施钻进试验，将随钻参数代入到最优回归关系式71 和公式y2,快速得到掌子面前方的单轴抗压强度R。和岩体完整性指标Kv。
[0158] 步骤6:将步骤5得到的单轴抗压强度R。和岩体完整性指标Kv代入到岩体基本质量 指标BQ分级计算公式：
[0159] BQ = 90+3Rc+250Kv
[0160] 并结合《工程岩体分级标准》，得到掌子面前面岩体随钻孔深度方向的初步围岩分 级结果。
[0161]以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人 员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应 视为本发明的保护范围。
【主权项】
1. 一种基于随钻参数对地下工程围岩快速实时分级的方法，其特征在于，实施现场钻 进试验，通过钻进过程中所测得的随钻参数，得出掌子面钻孔深度方向的单轴抗压强度和 岩体完整性指标，再建立随钻参数与单轴抗压强度W及岩体完整性指标之间的关系式，实 际地下工程中，将获得的随钻参数代入上述的关系式中，再通过岩体基本质量指标BQ分级 计算公式对掌子面前方围岩进行快速实时分级。2. -种基于随钻参数对地下工程围岩快速实时分级的方法，其特征在于，具体步骤如 下： 步骤1):实施现场钻进试验，测得钻进过程中的随钻参数，并提取岩忍，并利用岩忍得 到掌子面钻孔不同深度方向的单轴抗压强度； 步骤2):实施弹性波测试试验，得到岩体完整性指标； 步骤3):根据步骤1中实施的大量试验数据，利用逐步回归的方法，得到单轴抗压强度 与随钻参数的最优回归关系式yi; 步骤4):将对岩体破碎程度敏感的转速r和扭矩m进行处理，得到扭矩显著率現和转速显 著率民得到扭矩破碎指标QDm和转速破碎指标QDr，并建立扭矩破碎指标QDm和转速破碎指标 QDr与岩体完整性指标Κν拟合公式y2; 步骤5):对于具体地下工程，实施钻进试验，将随钻参数代入到步骤3)得出的最优回归 关系式yi和步骤4)得出的公式y2,快速得到掌子面前方的单轴抗压强度R。和岩体完整性指 标Κν; 步骤6):将步骤5)得到的单轴抗压强度Rc和岩体完整性指标Κν代入到岩体基本质量指 标BQ分级计算公式，对掌子面前方围岩进行快速实时分级。3. 如权利要求2所述的一种基于随钻参数对地下工程围岩快速实时分级的方法，其特 征在于，所述步骤1)中所述的钻进试验，指搭载数字化围岩强度钻进测定系统的钻机沿掌 子面前方钻进，并得到钻进过程中钻机的扭矩m、转速r、轴压力η、钻进速率V和钻进比功W。4. 如权利要求2所述的一种基于随钻参数对地下工程围岩快速实时分级的方法，其特 征在于，所述单轴抗压强度R。通过实施单轴试验得出。5. 如权利要求2所述的一种基于随钻参数对地下工程围岩快速实时分级的方法，其特 征在于，所述步骤4)中所述扭矩显著率??和转速显著率f分别通过W下公式计算：式中k表示数据第k个采集点； 所述扭矩破碎指标QDm和转速破碎指标QDr分别通过W下公式计算：式中，:時表示某一个钻孔中扭矩显著率巧小于临界值的第i段长度，巧表示扭矩显著率 指标小于临界值段之间且长度小于10mm的段中编号j的段长度;表示某一个钻孔中转速 显著率f大于临界值的第i段长度，擇表示转速显著率指标大于临界值段之间且长度小于 10mm的段中编号j的段长度，Η表示某钻孔的总长度。6. 如权利要求2所述的一种基于随钻参数对地下工程围岩快速实时分级的方法，其特 征在于，所述步骤4)中所述建立扭矩破碎指标QDm和转速破碎指标孤r与岩体完整性指标Κν 拟合公式y2，为利用多元线性回归的方法将Κν数据与扭矩破碎指标孤m和转速破碎指标孤r 数据进行公式拟合，最终拟合公式的形式为： Y2 = Κν = 0O+0lQDm+02QDr 其中β〇、β?、&都为回归系数。7. 如权利要求2所述的一种基于随钻参数对地下工程围岩快速实时分级的方法，其特 征在于，所述步骤6)中岩体基本质量指标BQ分级计算公式： BQ = 90+3Rc 巧 50Κν。8. 如权利要求2所述的一种基于随钻参数对地下工程围岩快速实时分级的方法，其特 征在于，所述步骤3)中最优回归关系式yi的计算步骤如下： 2-1)明确自变量和因变量，计算相关系数矩阵； A. 自变量为扭矩XI、转速X2、轴压力X3、钻进速率X4和钻进比功X日因变量为单轴抗压强度 yi，5元回归模型为：B. 计算各变量的平均值 对于自变量和因变量根据大量现场试验有η组数据，则各变量平均数xki表示第k次试验数据中，xi的值； C. 计算离差阵 自变量平方和为SSi，自变量间及其因变量乘积和为SPij和SPiy D. 计算相关系数矩阵在逐步回归中为便于表达和计算，通常将离差阵化为相关阵，计算公式为 riy=SPij/^(SSiSSj 产 5 式中，i，j = l，2,3,4,5，；Tiy为xi、X2、X3、X4、X5、y之间的相关系数 于是相关系数矩阵为 R(〇) =[巧(〇)] 式中0代表原始相关系数； 2-2)确定显著性的F检验水准； 2-3)选取第1个自变量； A. 对5个自变量计算偏回归平方和m Ui = riyS/rii(i = l ,2,3,4,5) Ui值越大表示该自变量被引入回归方程后对方差的贡献越大，该自变量最先引入回归 方程，如将a引入回归方程； B. 引入自变量xk后，相关系数阵RW经过下列公式变化，转换为2-4)选取第2个自变量； A. 计算各自变量回归平方和 Ui口）= [riy("]2/rii("(i = l，2,3,4,5) 取除了已经引用的xk外，将其与自变量中中最大的自变量引入回归方程，假如为 支 XI； B. 对引入的自变量XI进行F检验 Fi = U5(2)/[(l-Uk(i)-山(2))/(n-2-l)] 若Fl>Fa则引入XI，否则不引入； C. 引入XI后，按R(i")公式进行变化，将R(i)变化为R(2); D. 对引入a和XI进行显著性检验； 先计算出各偏回归平方和及剩余平方和 Ui(3) = [riyC)]2/riiW(i = l，2,3,4,5) 若up > ，则祉和XI都显著都保留，否则剔除化； 2-5)重复第2-4 )，直至取完所有自变量； 2-6)建立最优回归方程。9.如权利要求8所述的一种基于随钻参数对地下工程围岩快速实时分级的方法，其特 征在于，所述步骤2-6)中最优回归方程的建立方式如下： 在逐步回归分析中采用的是标准化的量，即由相关系数求得的解Pi为标准回归系数，再 将其转换为偏回归系数bi，假设Xk、Xl和Xz为被选自变量，bl、bk、bz为自变量相应的偏回归系数；
【文档编号】G06Q50/08GK105938611SQ201610529331
【公开日】2016年9月14日
【申请日】2016年7月6日
【发明人】王 琦, 李术才, 高松, 王雷, 江贝, 潘锐, 孙会彬, 高红科, 秦乾, 于恒昌, 胥洪彬, 栾英成, 许英东
【申请人】山东大学